本文是North Carolina State University 的一篇非常重要的論文：

譯文如下：

文章目錄

• 1.引言
• 2.智能電網和能源路由器:功能齊全預期
• • 2.1.智能電網中的能源路由器使用
  • 2.2.能源路由器功能
  • • 1)用戶級功能:
    • 2)電網級功能:
• 3.能源路由器設計要求
• • 3.1 電力電子設備要求
  • 3.2 通信需求
  • 3.3 分布式電網智能
• 4.能源路由器架構設計
• • 4.1 電力電子模塊
  • 4.2 通訊模塊
  • 4.3 電網智能模塊
• 5.通信模塊實現和實驗
• • 5.1 實現
  • 5.2 實驗
• 6.未來的工作
• 7.結論
• 8. peferences

摘要:下一代電力系統被稱為智能電網，將納入大量的可再生能源資源，從根本上改變能源管理范式。為了對電網中的能源供需進行有效管理，需要能源路由器對電網中的能源分布進行動態調節，即能源互聯網。本文討論了對能源路由器設計的功能預期，并對能源路由器的體系結構和通信性能進行了初步的研究。本文記錄了我們在能源路由器的設計和實現方面的進展，這是智能電網中實現智能能源管理的關鍵設備。

1.引言

近年來，全球對能源短缺和環境問題的日益關注，促使世界各國積極研究以可再生能源資源和智能能源管理為特點的下一代電力系統——智能電網。智能電網的能源開發將發生顯著變化，從對化石燃料的嚴重依賴轉向太陽能、風能、水力、潮汐、地熱、廢棄物等分布式、多樣化的可再生能源資源。智能電網不僅是對可再生能源的利用，同時也是對傳統電力系統在能源管理方面的全面升級[2]。在傳統電力系統中，能量從發電廠單向流向用戶，具有集中發電、單向傳輸的特點。相比之下，智能電網支持分布式和靈活的能源管理范式。在這個革命性的能源管理系統中，能源的產生是通過最大限度地利用可再生資源，以一種分布式的方式，很大一部分電網用戶既是能源生產者，也是能源消費者[3]，[4]。

電網用戶的雙重角色類似于互聯網用戶的雙重角色:每個互聯網用戶都是網絡上交換信息的貢獻者和受益者，每個電網用戶都可以買賣電網的能源。由于能量流和信息流之間的相似性，智能電網[5]被命名為能源互聯網。在因特網中，分組路由器在信息傳輸中起著至關重要的作用。同樣，在智能電網中，我們需要管理電力傳輸和分配的能源路由器。能源路由器將成為智能電網的關鍵組成部分。智能電網是一個新興的研究領域，目前還處于原始研究階段，目前還沒有關于能源路由器設計的研究結果的報道。在本文中，我們試圖對能源路由器的功能預期和研究挑戰提供一個高層次的概述。顧名思義，能源路由器是一種集電力傳輸和信息交換于一體的技術。它承擔著兩大任務，即能量流的動態調整和動力裝置之間的實時通信，這兩項任務也是相互作用的。因此，我們將討論能源路由器在能源控制和設備間通信方面的各自功能需求，以及它們如何集成到智能能源管理實體中。除了功能需求外，本文還介紹了能源路由器的框架設計和對能源路由器通信支持的初步實驗結果。本文的工作展示了我們當前的愿景和可獲得的結果，因此我們也討論了下一步的研究方向。本文的其余部分組織如下。在第二部分中，我們概述了智能電網的主要特征，并將它們映射到能源路由器的功能預期中。在第三節中，我們從電力電子、通信和控制智能三個方面詳細討論了能源路由器的設計要求。第四節介紹了我們的能源路由器框架設計，第五節介紹了它的通信支持，第六節討論了我們未來的研究工作，最后在第七節總結了本文。

2.智能電網和能源路由器:功能齊全預期

為了理解智能電網對能源路由器的關鍵依賴，我們首先概述了智能電網的預期功能，然后討論了能源路由器如何支持這些功能。智能電網作為對現有電力系統的全面升級，包含了大量的新特性，其中最重要的是新特性包括可再生能源和優化能源利用的智能能源管理。具體而言，智能電網的功能可以分為7個領域[6]、[7]:批量發電、輸電、配電、運行、市場、客戶、服務提供商。能源路由器是智能電網運行中的一個技術組件。接下來討論了能量路由器在各個領域的應用。

2.1.智能電網中的能源路由器使用

1)批量發電領域:

能源主要來源于分布式能源。這些能源通常與當地的電力負荷相連。當當地供應超過當地需求時，剩余的能量通過能源路由器流入電網。當局部能量不足時，電網通過能量路由器提供不足的能量。

2)傳輸域:

傳輸域負責將能源從發電源傳輸到消費者。在能源資源分布的情況下，傳輸域需要從有剩余量的能源中動態調度能量，在滿足本地需求后。因此需要能量路由器來實現動態能量流。

3)分布域:

通過能量路由器進行能量分布。當用戶需求隨時間變化時，能源路由器也承擔跟蹤需求變化的責任，以動態適應能源分配。

4)運行域:

為了優化運行，必須收集電網狀態信息，如分布式能源當前的能源發電能力、不同客戶當前的能源需求等。該狀態信息從輸配電中使用的能源路由器中獲取

5)市場域:

市場域的目標是實現供需平衡，因此必須從電網的各個部位收集能源供需信息，才能使市場域正常運行。信息收集依賴于部署在電網上的能源路由器。

6)客戶領域:

客戶通過能源路由器向電網購買能源。當客戶也從可再生資源中產生能源時，能源路由器就會為其連接的客戶調節能源需求和供應。如果用戶生產的總能量超過了自己的需求，多余的能量就會通過能源路由器賣回給電網。

7)服務提供商領域:

服務提供商可以擁有自己的能源生產設施，也可以從分布式可再生能源資源中購買能源，并銷售給客戶。他們需要掌握當前的能源供應和需求信息，以優化服務。信息的獲取依賴于能源路由器。

2.2.能源路由器功能

用戶級和網格級討論表明，能源路由器是智能電網建設的基礎設備。由于它們在網格中被廣泛使用，它們承擔著廣泛的功能。與互聯網路由器類似，能量路由器也有不同的位置相關任務，一般可分為用戶級功能和網格級功能。

1)用戶級功能:

當能源路由器位于電網邊緣時，直接與客戶相連。用戶主要有分布式可再生能源、分布式儲能設備和負載三種類型。這些用戶構建了一個微電網，將能源路由器作為其中央協調器。同一個微電網中的每個用戶都與能源路由器進行所有能源服務的對話。下面我們將討論能源路由器所需的所有用戶級功能。

用戶附件

智能電網具有一個易于使用的即插即用的能源界面。當用戶通過能源路由器連接到智能電網時，能源路由器負責發現新的用戶附件，并對其進行配置，以便正確操作。

服務請求

當附加的用戶想要啟動某種服務時，用戶會向能源路由器發送“服務請求”消息。然后，能源路由器將“服務接受”消息回復給用戶，并控制固態變壓器提供能源服務。

狀態更新

當用戶狀態發生變化時，向能源路由器發送狀態更新消息。能源路由器更新其當前用戶狀態。

服務終止

當用戶終止服務時，它向能源路由器發送“服務終止”消息，然后斷開與能源路由器的連接。能源路由器通知固態變壓器停止向該用戶輸出電力。用戶的超然。當用戶斷開與電網的連接時，能源路由器檢測到斷開，并相應地更新其用戶界面。通過周期性地探測用戶存在并傾聽用戶應答使檢測成為可能。如果能源路由器在一段確定的時間內沒有收到用戶的回復，則認為該用戶已斷開連接。

2)電網級功能:

能源路由器不僅與能源客戶相連，還與電網中其他能源路由器通信，實現能源智能管理。
能源路由器管理其微電網有兩種連接方式。它們分別是網格聯結模式和孤島模式。在并網模式下，能源路由器將其微網與智能電網連接，能源通過能源路由器進出微網。能量路由器作為能量流量調節器，響應微電網的能源供需。在孤島模式下，能源路由器斷開微網與電網的連接以保護微網。
微電網中的分布式可再生能源和分布式儲能設備必須能夠適應局部負荷。為了最大限度地延長運行時間，該能源路由器將低優先級任務的用電量降至最低。

下面將討論幾個典型的操作場景(結合了用戶級需求以及電網級別需求)。
在陽光明媚的白天，當光伏系統準備將太陽能轉換為電能時，向能源路由器發送能源發電請求。能源路由器檢查當地的電力需求，包括當前的負荷需求和分布式儲能設備的能量容量，然后與光伏系統確認，啟動太陽能轉換。太陽落山時，光伏系統停止發電，負荷需求增加。光伏系統向能源路由器發送服務終止消息，并斷開與電網的連接。能源路由器通知分布式能源存儲設備啟動能源供應。在夜間早些時候，風力渦輪機可能已經準備好發電了。它將服務請求發送到能源路由器。能源路由器與風力渦輪機確認，啟動電能轉換并注入微電網。如果風力渦輪機產生的電量超過當地的需求，剩余的電量就會賣回給電網。否則，能量路由器向電網請求的能量不足。到了深夜，負擔變輕了。能源路由器開始為第二天早上使用的插電式電動汽車充電，為下次臨時缺電時使用的分布式儲能設備充電。在居民用戶電價最低的白天，居民用戶的能源路由器在其微電網中安排了大部分的能源使用量。相反，對于工業用戶，白天的電價是最高的，他們的能源路由器可能會把非緊急任務安排到晚上。因此，能源路由器根據成本動態地確定用電量。

3.能源路由器設計要求

能源路由器承擔著重要的電力控制功能，在智能電網中實施正確、高效的能源管理。它是電力電子、通信和自動化的技術集成。因此，它的設計要求包括以下三個方面。

3.1 電力電子設備要求

能源路由器需要電力電子設備來實現能源的自動分配和管理。從上述應用場景可以看出，能源路由器從電網實時收集電力需求和供應信息，并根據需求和需求動態調整電力分配供應信息。在能源路由器中，電力電子器件是智能管理模塊與固態變壓器之間的接口。電力電子設備必須能夠快速、可靠地運行，以保證智能管理模塊發出的命令能夠正確執行。

3.2 通信需求

能源路由器的運行依賴于它所收集的電網狀態信息。例如，當能源路由器檢測到“本地負載增加”時，啟動光伏系統發電，當檢測到電源設備工作不正常時，關閉電源設備。能源路由器之間的通信必須滿足三個條件。

1)傳輸延遲:

通信延遲定義了特定消息通過通信網絡到達目的地的最大時間。能量路由器之間通信的消息可能有不同的網絡延遲要求[8]，[9]，這取決于觸發消息的事件類型。智能電網中大多數時間關鍵的消息需要小至3毫秒的傳輸延遲。因此，能量路由器必須具有足夠快的處理和通信能力，以保證低延遲的信息交換。

2)通信可靠性:

能源路由器之間的通信必須可靠[10]-[12]。能量路由器的設計必須使失效概率最小。此外，能量路由器必須具有通信故障檢測能力，以便快速重傳丟失的消息。如果能源路由器遇到設備故障，剩余的能源路由器應該能夠通過旁路繼續通信。

3)信息安全:

能源路由器之間交換的信息包含電網運行指令。偽造或假冒的消息將危害網格操作。因此，能源路由器必須保證通信的安全性。需要適當設計的安全機制來防止未經授權的用戶讀取和更改能源路由器之間通信的信息。如果惡意用戶注入了偽造的消息，能量路由器應該能夠檢測到偽造并丟棄這些消息。

3.3 分布式電網智能

除了電力電子和通信外，能源路由器還必須具有分布式電網智能模塊，以便對電網中的能源管理做出明智的判斷。該網格智能模塊利用通信模塊收集到的信息，通過能源路由器的協作來確定要在網格中進行的控制變化。每個能源路由器負責一個微網，將不同能源路由器收集到的分布式電網狀態信息進行組合處理，實現智能電網運行決策。

4.能源路由器架構設計

在本節中，我們提出了一種能源路由器架構，它結合了電力電子、通信和分布式電網智能模塊。在輸配電系統中，由于設備位置的不同，電壓和電流的變化范圍較大。在我們提出的能源路由器設計中，我們使用了一個20千伏安的固態變壓器作為例子。本文提出的能量路由器架構經過輕微修改后，可應用于其他不同負載容量的固態變壓器。我們在圖1中說明了我們的能源路由器架構。

4.1 電力電子模塊

電力電子模塊的核心功能是將傳輸線上的高壓電能轉換為適合電器使用的不同等級的低壓。因此，該模塊由一系列按順序連接的子變壓器組成，進行電壓轉換，如7.2kV交流電轉換為10 kV交流電，10 kV交流電轉換為400 V交流電，400 V交流電轉換為120 V交流電，從子變壓器的輸出中獲得子變壓器的電源。子變壓器作為不同電器的接口，被連接到各種電氣接口上。這些接口為許多電器提供即插即用的電力服務，并連接到智能電網。

4.2 通訊模塊

能源路由器的通信模塊由兩個組件組成，一個組件用于能源路由器內部的內部通信，另一個組件用于不同能源路由器之間的內部通信.在圖1所示的體系結構中，內部通信組件也稱為電源通信接口。該組件負責管理固態變壓器控制器與各電端口之間的通信。內部通信組件可以設計為一個專用的通信板建立與嵌入式系統。
它提供通信設施，連接到智能電網的信息交換基礎設施。網絡接入技術包括ZigBee、以太網和無線局域網。通信板可以是與SST控制板分離的獨立單板，也可以是SST控制板集成的部件。如果是單獨的單板，兩個單板之間的連接可以使用串行鏈路、USB或其他可能的技術。圖1以串行連接為例。

4.3 電網智能模塊

電網智能模塊集成在SST控制板中。它從通信模塊收集能源路由器狀態信息，并對微網內部的能源生產和分配進行優化管理在點對點微電網之間。智能模塊的運行決策與電能質量管理組件進行通信，電能質量管理組件負責相應改變固態變壓器的配置。典型的更改包括端口激活、設備附件和網格連接等。

5.通信模塊實現和實驗

我們已經為我們提出的能源路由器架構實現了一個通信模塊的原型。該模塊作為一個獨立的嵌入式系統構建，通過通用異步收發(UART)串行鏈路連接到固態變壓器控制器(本文稱之為SST控制器)上。不同能量路由器的通信模塊通過通信網絡進行信息交換。所述通信模塊及其與其他能源路由器組件的連接示意圖如圖2所示。

5.1 實現

我們使用Technologic Systems公司的TS7250嵌入式系統(本文命名為ARM板)來構建通信模塊。ARM單板是一種通用單板計算機，具有200mhz ARM CPU和64mb內存，運行在經過修改的Linux內核上，提供WiFi、以太網、USB和串口等多種通信接口。SST控制器被實現為一個獨立的板，從固態變壓器采樣狀態值并改變配置。為了允許ARM板和SST控制器板之間的通信，已經建立了ARM-SST串行通信協議(下面解釋)，在兩個板的UART接口上工作。ARM板作為對端能源路由器的外部通信接口。在不同的能源路由器中可以使用多種網絡技術來連接ARM板，如以太坊、無線局域網和ZigBee。我們已經實現了所有這三種類型的連接。然而，單靠網絡連接不足以支持信息交換功能。為了保證通信的可靠性，需要使用網絡層協議和傳輸層協議。在我們的原型中使用了分布式網絡協議(DNP3)。

1) ARM-SST通信協議:

我們通過定義ARM板與SST控制器板之間交換的報文格式，設計了ARM-SST通信協議。如圖3所示，報文格式包含多個字段?！皊tart”字段表示報文的開始，“payload
type”字段表示報文是包含設定點還是所有點。從ARM到SST控制器的“有效載荷”由6個每個2字節的設定值組成，而從SST控制器到ARM的“有效載荷”由接收到的6個設定值和12個模擬點組成。最后一個字節表示數據包校驗和。當ARM板接收到來自網絡的控制命令時，這些命令會通過UART串行鏈路轉發給SST控制器。SST控制器接收到的設定值負責控制接口電源設備，如繼電器和斷路器。作為對設定值的響應，SST控制器通過發送相同的控制點并附加存儲結構的當前狀態字段(模擬點)來承認ARM。存儲的結構根據I/O端口的輸入值定期更新。當從網絡接收到新的設定點時，ARM板不斷地向SST控制器發送設定點，直到收到確認。

2)分布式網絡協議:

DNP3是一種開放、健壯、高效的網絡協議，專門為在電力公用事業自動化系統的惡劣環境中可靠運行而設計。它可以用于通過通信網絡監控遠程位置的許多物理過程和信息狀態，如電力消耗、電壓、電流和溫度。DNP3協議支持TCP/IP棧通信。我們采用DNP3協議作為不同能源路由器通信模塊之間的網絡協議。

5.2 實驗

我們已經用我們的原型通信模塊進行了測試，以測量分組延遲。分組延遲是電力系統通信中一項重要的性能指標，因為電力系統中的時間關鍵命令必須及時傳輸和交付。特別是，我們在三個場景中測試了包延遲。在每個場景中，長度不等(16~ 4096字節)的數據包通過DNP3協議傳輸，DNP3協議運行TCP/IP協議棧上。

通過以太網TS7250-TS7250。兩個TS7250嵌入式系統通過100 Mbps以太網連接開關。每個TS7250配置一個200mhz的ARM-9 CPU和64mb內存，安裝Linux操作系統。測量的數據包延遲在0.8 ~ 1.6毫秒之間。通過802.11 b TS7250-TS7250。兩個TS7250嵌入式系統在其USB端口上連接了WiFi加密狗，并通過連接到共享的802.11b接入點進行通信。測量到的延遲在3.2到17毫秒之間變化。TS7250-ZigBee網關。TS7250嵌入式系統通過串口連接Xbee-Pro通信板，通過802.15.4 ZigBee網關進行數據交換。測量到的延遲在12到86毫秒之間變化。在智能電網通信中，大多數時間關鍵的消息需要一個小至3毫秒的延遲限制。然而，從實驗結果可以觀察到，在所有已測試的無線網絡中，實際實現的通信延遲超過了界。注意，當網絡經歷較重的后臺流量負載或使用更復雜的多跳網絡時，延遲性能將變得更差。因此，如何提高不同能量路由器通信模塊之間的分組傳輸速度仍然是一個具有挑戰性的研究問題。

6.未來的工作

本文所做的工作是我們對能源路由器建設的展望，也是我們在通信方面的初步成果。實現能源路由器還有很多工作要做。根據我們確定的三個功能模塊，我們下一步的工作可以分為以下三個方向。我們目前正在嘗試制造SST控制板，并將其連接到固態變壓器。SST控制器板由一個DSP芯片和一個FPGA芯片組成，通過編程可以自動讀取SST狀態信息，并在必要時更改SST配置。通信模塊的通信時延有待改進。我們目前的實驗結果表明，無線網絡的數據包延遲明顯大于以太網。然而，無線網絡將是電力系統中重要的通信設備。因此，如何在無線網絡中縮短分組時延還需要進一步的研究。通信的可靠性和安全性也將被研究。目前我們還沒有對網格智能進行研究。它對電網實現高效的能源管理起著重要的作用。構建這個模塊需要對電網中的能量分布有深刻的理解，需要先進的自動化實時決策軟件來動態調整能源路由器的運行。

7.結論

在未來的智能電網中，能源路由器將是支持智能能源管理的基礎和不可或缺的設備。在本文中，我們討論了在不同的運行場景下，針對電網中能源路由器的使用情況，對能源路由器設計的功能期望。在功能分析的基礎上，提出了一種能源路由器的設計架構，該架構由電力電子、通信和電網智能三個模塊組成。實現了通信模塊的部分功能，并對通信模塊的延時性能進行了測試。實驗結果表明，要使能量路由器在無線網絡中具有良好的通信性能，還需要進一步的研究。最后，我們討論了能源路由器設計和實現的下一步工作。本文總結了我們在能源路由器建設方面的進展，我們希望本文中的工作能夠促進我們對能源路由器功能和實現的理解。

8. peferences

總結

以上是生活随笔為你收集整理的能源路由器入门必读:面向能源互联网的架构和功能的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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